Ферромагнетики и их свойства

Помимо слабомагнитных веществ — диа - и парамагнетиков, существуют сильномагнитные вещества — ферромагнетики — вещества, обладающие спонтанной намагниченностью, т.е. они сохраняют намагниченность при отсутствии внешнего магнитного поля.

В отличие от слабомагнитных веществ, у которых намагниченность J линейно изменяется с ростом Н, у ферромагнетиков, при увеличении Н, намагниченность растет сначала быстро, а затем выходит на насыщение J_нac.

Магнитная проницаемость ферромагнетиков достигает больших значений (для железа — 5000, для сплава супермаллоя - 800 000).

Магнитная проницаемость и магнитная индукция В ферромагнетиков зависит от Н. B = ₀(H + J) в слабых полях растет быстро с ростом Н (участок 0-1-2 на рисунке (а)), а в сильных полях, поскольку J = J_нac, В растет с увеличением Н линейно (участок 2-3).

Соответственно вначале растет с ростом Н (рисунок (6)), а затем, достигая максимума, начинает уменьшаться, стремясь в случае сильных полей к единице.

Зависимость намагниченности J от напряженности магнитного поля Н в ферромагнетике определяется предысторией намагничения. Это явление называется магнитным гистерезисом.

Если ферромагнетик намагнитить до насыщения (кривая 0-1), а затем уменьшать Н (кривая 1-2), то при Н = 0 в ферромагнетике останется остаточная намагниченность J_oc.

Это явление используют при изготовлении постоянных магнитов.

Для того чтобы уменьшить намагниченность до нуля, надо приложить противоположно-направленное поле (точка 3), с напряженностью Н_с, которая называется коэрцитивная силаю. При дальнейшем увеличении противоположного поля ферромагнетик перемагничивается (кривая 3-4), достигая насыщения (точка 4). Затем его можно опять размагнитить (кривая 4- 5-6) и вновь перемагнитить до насыщения (кривая 6-1).

Таким образом, изменение намагниченности описывается кривой 1-2-3-4- 5-6-1, которая называется петля гистерезиса.

Для каждого ферромагнетика имеется определенная температура,
называемая точкой Кюри, при которой он теряет свои магнитные свойства.
При нагревании выше точки Кюри ферромагнетик превращается в обычный
парамагнетик.

Причина такого поведения в том, что при температурах ниже точки Кюри ферромагнетик разбивается на большое число микроскопических областей — доменов, самопроизвольно намагниченных до насыщения. Направление намагничения домена определенным образом связано с расположением атомов в ряды и слои (на рисунке схематически показаны домены в кристалле железа). При отсутствии внешнего магнитного поля
магнитные моменты отдельных доменов риентированы хаотически и компенсируют друг друга. Поэтому суммарный магнитный момент ферромагнетика равен нулю и ферромагнетик не намагничен.

Внешнее поле ориентирует по полю не магнитные моменты отдельных атомов (как это имеет место в случае парамагнетиков), а магнитные моменты целых областей спонтанной намагниченности, причем домены поворачиваются по полю скачком.

Формирование доменов обусловлено квантовыми свойствами электронов. Ферромагнитными свойствами обладают вещества, в атомах которых есть недостроенные внутренние электронные оболочки с нескомпернсированными спинами. В этом случае могут возникать обменные силы, которые вынуждают спиновые магнитные моменты электронов ориентироваться параллельно друг другу. Это приводит к возникновению областей спонтанного намагничения.

Существуют вещества, в которых обменные силы вызывают антипараллельную ориентацию спиновых моментов электронов. Такие
вещества называются антиферромагнетиками. Для них также существует антиферромагнитная точка Кюри (точка Нееля), выше которой разрушается
магнитное упорядочение и антиферромагнетик превращается в парамагнетик.